Baterías recargables totalmente reciclables: El futuro sostenible

UNIVERSITY PARK, Pensilvania. — Las baterías de litio de estado sólido recargables son una tecnología emergente que algún día podría alimentar teléfonos celulares y computadoras portátiles durante días con una sola carga. Al ofrecer una densidad de energía significativamente mejorada, son una alternativa más segura a las baterías de iones de litio inflamables que se utilizan actualmente en la electrónica de consumo, pero no son respetuosas con el medio ambiente. Los métodos de reciclaje actuales se centran en la recuperación limitada de metales contenidos dentro de los cátodos, mientras que todo lo demás se desperdicia.

Un equipo de investigadores de Penn State puede haber resuelto este problema. Dirigido por Enrique Gómez, decano asociado interino para la equidad e inclusión y profesor de ingeniería química en la Facultad de Ingeniería de Penn State, el equipo reconfiguró el diseño de estas baterías de litio de estado sólido para que todos sus componentes puedan reciclarse fácilmente. Publicaron sus hallazgos en ACS Energy Letters.

“A medida que crece la necesidad de baterías recargables, debemos pensar en el final de la vida útil de esta tecnología”, dijo Gómez. “Esperamos que nuestro trabajo destaque las posibilidades en el reciclaje de baterías de estado sólido, con la ayuda de algunos elementos de diseño clave”.

Tradicionalmente, la mayoría de los componentes básicos de la batería se han desperdiciado porque se mezclan durante el proceso de reciclaje, formando una “masa negra”, según los investigadores. Esta masa negra es rica en materiales necesarios para las baterías, pero separarlos sigue siendo un desafío. En las baterías de estado sólido, el uso de electrolitos sólidos agrava este problema, ya que se mezclan con la masa negra.

Para separar más fácilmente estos componentes de los demás componentes metálicos en una batería de celda de botón, los investigadores insertaron dos capas de polímero en las interfaces entre el electrodo y el electrolito antes del inicio del proceso de reciclaje.

“Propusimos que al disolver la capa de polímero durante el proceso de reciclaje, se puede separar fácilmente el electrodo del electrolito”, dijo Yi-Chen Lan, estudiante de doctorado en ingeniería química y primer autor del artículo. “Sin la capa de polímero que los separa, tendría el electrodo y el electrolito mezclados, lo que dificulta su reciclaje”.

Una vez que los investigadores separaron con éxito los componentes, hicieron un compuesto con los metales recuperados y los electrodos utilizando la sinterización en frío, el proceso de combinar materiales en polvo en formas densas a bajas temperaturas mediante presión aplicada utilizando solventes. La sinterización en frío fue desarrollada en 2016 por un equipo de investigadores dirigido por Clive Randall, director del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State y profesor distinguido de ciencia e ingeniería de materiales. Gómez y su equipo demostraron recientemente el reciclaje de electrolitos de estado sólido utilizando la sinterización en frío.

“Utilizamos la sinterización en frío para combinar los electrodos recuperados con polvos de electrolitos sólidos compuestos recuperados, luego reconstruimos la batería con las capas de polímero agregadas”, dijo Po-Hao Lai, un estudiante de doctorado en ingeniería química y coautor del artículo. “Esto nos permite reciclar toda la batería, que luego podemos reciclar nuevamente después de su uso”.

Después de probar su rendimiento, encontraron que la batería reconstruida alcanzó entre el 92,5% y el 93,8% de su capacidad de descarga original.

“Si bien la comercialización de las baterías de litio de estado sólido aún se encuentra en sus primeras etapas, nuestro trabajo proporciona información importante e ideas para diseñar versiones reciclables de estas baterías”, dijo Lan. “Aunque todavía no estamos ahí, el objetivo a largo plazo es aplicar esta innovación a baterías más grandes que podrían usarse en dispositivos como teléfonos celulares y computadoras portátiles, una vez que la tecnología de estado sólido se vuelva más frecuente”.

Además de Gómez, Lan y Lai, Bryan Vogt, profesor de ingeniería química, también contribuyó al artículo.

La Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Departamento de Defensa de EE. UU., el Laboratorio de Investigación del Ejército y la Oficina de Investigación del Ejército apoyaron esta investigación.